基于MEMS传感器的人体上肢运动姿态检测系统设计与实验研究

摘要

人体运动姿态检测在体育训练、康复训练、人机工程设计和仿生机构设计等领域都有着重要的应用价值。由于体积小、无长期漂移、启动快、功耗低，可进行连续地全姿态的动态测量，采用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)器件构成的微惯性检测单元进行运动姿态检测成为了目前比较流行的运动姿态检测方法。本论文介绍一种人体上肢运动姿态检测系统，系统包含多组姿态检测单元，姿态检测单元主要由高度集成的MEMS加速度传感器ADXL345和MEMS磁阻传感器HMC5883L构成。
　　本论文首先根据刚体假设理论，建立人体上肢刚体模型。并在此人体上肢刚体模型的基础上建立了人体上肢运动姿态数学模型。
　　完成了系统的硬件设计和软件设计。硬件设计部分包含了MEMS传感器和微控制器的选型，姿态检测单元和微控制器外围电路的设计与实现。软件设计部分包含串口通讯程序设计、传感器数据采集程序设计、人体上肢运动姿态数学模型求解程序设计和误差补偿程序设计。
　　针对姿态检测单元中存在的误差进行分析，并研究了两种误差补偿方法，分别为改进椭圆拟合法和基于最小二乘法的多方位补偿法。
　　论文最后通过一系列的运动姿态验证实验分别对姿态检测单元、误差补偿方法和人体上肢运动姿态检测系统进行验证。实验结果表明，本论文的人体上肢运动姿态检测系统可以有效地检测人体上肢的运动姿态，本论文的工作对进一步研究人体运动姿态检测有一定的参考价值。